利用透明软管进阶探究微观粒子运动

摘要

设计3组以透明软管为核心的进阶式实验，让学生在观察、对比和推理中，逐步深化对微观粒子永不停息运动的认识。在实验中运用对比思维和定量研究的方法，能比较直观地帮助学生认识到温度和微观粒子质量会影响微观粒子运动的速率。这3组进阶实验有利于学生理解微观粒子的运动性，发展科学素养和探究能力，为后续的化学学习打下良好的基础。

Graphical abstract

关键词

微观粒子 / 运动 / 速率 / 透明软管 / 进阶式实验

微观粒子的运动性在中学化学学习中扮演着至关重要的角色，能帮助学生理解物质的性质、变化和反应机制。现行多个版本的九年级化学教科书在“物质构成的奥秘”单元中，均编排有“探究微观粒子运动”的实验。在教学中，利用高锰酸钾、品红等有色物质在水中的扩散现象和浓氨水与酚酞溶液的试剂组合进行实验演示，可从定性的角度探究分子运动现象，实验现象明显、直观，具有良好的教学效果^［1］。

对于启蒙阶段的学生来讲，这一章内容较为抽象，而微观粒子的运动性是学生后续学习、理解化学反应的基础。笔者在教学中始终践行“做中学、创中学”的实验教学理念，结合学生思维认知发展的规律，借助透明软管等常见实验用品设计3组进阶式实验，由浅入深、层层推进，由定性到定量，从而帮助学生深入理解微观粒子的相关性质，取得了良好的实验教学效果。

1 进阶实验1：探究微观粒子的运动性

1.1 实验用品

橡皮塞2个、透明软管（内径20 cm、长1.2 m）、5 mm的打孔器、高锰酸钾、药匙、剪刀、烧杯等。

1.2 实验装置

探究微观粒子的运动实验装置如图1所示。

1.3 实验操作

（1） 取大小合适的橡皮塞2个，用5 mm的打孔器在橡皮塞上打孔，如图2所示；截取1.2 m长的软管并用记号笔描画刻度（精确度为1 cm），备用。

（2） 将透明软管对折成V形，给其装水，使水面高度距离两端约1.5 cm即可；用药匙向两只橡皮塞中加入等量的高锰酸钾颗粒，再塞进透明软管，如图3所示（此步骤需要合作完成）。

（3） 将透明软管横放（图4），待高锰酸钾颗粒滑落后再将透明软管竖直起来，观察实验现象。

1.4 实验现象及结论

由透明软管上部分可以观察到——高锰酸钾颗粒在水中四处扩散，并逐渐向下运动，形成多道紫红色的无规则曲线，飘飘荡荡、摇摆不定、你追我赶，且持续时间很长^［2］；在其下部可以看到紫红色的高锰酸钾颗粒慢慢溶解消失，紫红色的溶液逐渐向四周扩散，主要是向上扩散且慢于上段部分的扩散速率。

上述实验现象说明，高锰酸钾是由肉眼看不见的微小粒子构成，而微观粒子又是在不断运动的。同时，也能帮助学生感知微观粒子的运动速率是受一些因素制约的。

1.5 实验优点

（1） 实验操作简单，实验现象明显且持续时间长。

（2） 用品廉价易得，有利于培养学生的动手能力。

（3） 实验过程需要团队协作，有利于培养学生的团队合作精神。

（4） 实验引入了对比思想，有利于培养学生细致的观察力和激发学生的思维。

1.6 实验设计分析

笔者早期用废旧日光灯管设计探究微观粒子运动的新实验^［2］，该实验虽然取得了良好的教学效果，但随着节能灯的普及，很难再找到废弃的日光灯管，只能用玻璃管代替。在使用中笔者发现，直径较大的玻璃管截取不方便，且不方便保存（太长）、成本高，而透明软管却能很好地解决以上问题。

在课堂教学中，通过上下端同时放入高锰酸钾进行定量研究高锰酸钾的扩散现象，可以锻炼学生的观察能力；实验对比能激活大部分学生的思维，如学有余力的学生会进一步思考：为什么上端的高锰酸钾向下运动会更快？随着问题的提出，再经过思考讨论，他们很快得知是重力起到了影响作用。如何避免重力的影响呢？经过思考交流，学生得出方案：只要将该透明软管横放观察即可。激发学生思维的好处是，能培养学生的观察和思考能力。

2 进阶实验2：探究温度对微观粒子运动的影响

2.1 实验用品

橡皮塞2个、透明软管（内径20 cm、长1.2 m）、白纱布条（1 cm×240 cm）、烧杯（500 mL）、打孔器、剪刀、胶头滴管、烧杯、一次性手套、脱脂棉、酚酞溶液、浓氨水等。

2.2 实验装置

探究温度对微观粒子运动的影响的实验装置如图5所示。

2.3 实验操作

（1） 取大小合适的橡皮塞2个，用打孔器在其中一个橡皮塞内打孔（图2），再在另一个橡皮塞的小头中间打一个小孔（注意不要打透）；截取1.2 m长的透明软管并用记号笔描画刻度（精确度为1 cm），备用。

（2） 将白纱布条放入烧杯里，用酚酞溶液浸湿；操作者戴上一次性手套轻轻挤捏纱布（使酚酞溶液不会自然流下来），再对折成双层并平直穿入软管中。

（3） 用胶头滴管分别向两个橡皮塞中滴入两滴浓氨水，并塞上脱脂棉；然后，将其塞入透明软管中，观察现象。

（4） 60 s后，向烧杯中倒入约300 mL的热水，将透明软管折成U形，再将其中一端浸入热水中，对比观察。

2.4 实验现象及结论

透明软管内浸有酚酞溶液的纱布条从上下两端逐渐向中间延伸变红，且变红的纱布条长度相同；60 s后，将透明软管的一端浸入热水后，该端纱布条向上延伸变红的速度与范围明显超过另一端。上述实验现象说明，构成浓氨水的微小粒子是在不断运动的，且温度越高微观粒子运动得越快。

2.5 实验优点

（1） 实验操作简单，实验现象明显且微观粒子运动显现的持续时间长。

（2） 引入定量实验思想，便于学生准确观察并对比微观粒子运动的快慢与温度有关。

（3） 实验有利于培养学生的团队合作能力。

（4） 有利于与进阶实验1形成对比，从而激发学生展开深层次思考。

2.6 实验设计分析

较长的透明软管，拓宽了微观粒子运动的空间，同时定量比较思想的引入，有利于学生观察微观粒子运动的轨迹；软管方便操作，折成U形并将其一端放入热水中，现象对比更加明显。

在教学中，学生通过实验得出温度可以影响微观粒子的运动速率后，再引导学生对比进阶实验1和实验2，组织学生深入交流讨论，学生就明白由于微观粒子本身的质量和体积极小，所以受重力影响也极其微小^［3］。在进阶实验1中，没有完全溶解的高锰酸钾颗粒受重力作用从上向下做自由落体运动，遂观察到高锰酸钾向下扩散速率快的实验现象^［4］。

3 进阶实验3：探究微观粒子质量对粒子运动的影响

3.1 实验用品

透明软管（内径6 mm、长60 cm）、棉签2支、弹簧夹2个、剪刀、记号笔、浓氨水、酚酞溶液等。

3.2 实验装置

探究微观粒子质量对微观粒子运动的影响的实验装置如图6所示。

3.3 实验操作

（1） 截取内径6 mm，长60 cm的透明软管，两端预留10 cm，用记号笔在剩余部分标注刻度（精确度为1 cm）。

（2） 取大小合适的棉签两支，分别蘸有浓氨水和浓盐酸，插入透明软管的两端，使棉签的前端分别位于刻度起始端和末尾端，然后用弹簧夹夹住软管的两端（图6），观察实验现象。

3.4 实验现象及结论

在透明软管标记刻度36处首先出现白烟（氨气与氯化氢气体相遇发生化学反应，生成氯化铵细小白色颗粒），而没有在透明软管中间首先出现白烟，这说明构成氨气和氯化氢的微观粒子运动速率不一样，白烟首先出现在刻度36处，略靠近浓盐酸的这一端，说明构成氨气的微观粒子运动速率较快；再根据格雷厄姆定律（Graham's Law of Diffusion）可知，气体的扩散速率与其相对分子质量的平方根成反比，即：\frac{r_{\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}}}{r_{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}}=\sqrt[]{\frac{M_{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}}{M_{\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}}}}，其中M_{\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}}和M_{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}分别为氨气和氯化氢的相对分子质量。计算可得：\frac{r_{\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}}}{r_{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}}=\sqrt[]{\frac{\mathrm{36.5}}{\mathrm{17}}}\approx \mathrm{1.47}，这说明氨气的扩散速率约为氯化氢的1.47倍，这与实验结果基本一致。对初中阶段的学生来说，能从实验中分析得出“微观粒子的运动速率与分子质量有关，氨气分子质量比氯化氢分子质量小，氨气分子运动速率比氯化氢分子运动速率快^［4］”这一结论，就能达成新课程标准对这一教学任务的要求。

3.5 实验优点

（1） 实验现象明显，有利于学生比较准确地记录白烟出现的位置。

（2） 实验操作简单，药品用量少，成本较低，有助于树立学生的节约环保意识。

（3） 引入定量研究思想，有利于激活学生思维，引发学生深入思考。

3.6 实验设计分析

在完成进阶实验1和实验2后，学生对微观粒子运动的宏观现象有了深刻的体验。进阶实验3利用细软管设计微型实验，实验现象明显、药品用量极少、对环境危害极小，体现了环保理念；用记号笔在软管上标注刻度，引入定量研究方法，有助于培养学生定量研究意识；在实验中，白烟没有出现在透明软管中部，可以激发学生的探究欲，激活学生思维，推动学生进一步深入思考：分子质量越小，分子运动速率越快吗？有了这一问题后，课后学生必然会进一步展开研探，这也为学生升入高中阶段深入研究分子运动速率与分子质量的关系作好了铺垫。

在教学中，教师可依据学情进行点拨，结合相对分子量从多角度解释白烟没有出现在透明软管中部的原因。由运动学公式V=\sqrt[]{\frac{\mathrm{3}kT}{m}}可知，分子质量越小，分子平均速度越快，故氨气分子比氯化氢分子移动得更快；从动力学角度看，质量小的分子的动能E=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}m{v}^{\mathrm{2}}较高，在相同温度下具有更高的速度，增加了它们在碰撞中通过介质的概率；动量分析表明，虽然质量小的分子的动量p=mv较小，但其速度高，单位时间内的碰撞和运动次数增加，从而提高了扩散效率；从能量角度看，质量小的分子在相同温度下具有更高的动能，这意味着它们在扩散过程中能量损失较少，保持了较高的扩散速度^［5］。以上这些理论分析，很好地解释了分子质量对分子扩散速度的影响。

4 结语

需要说明的是，上述实验经过了多次使用，且在不同的场合演示过，所得到的实验数据与理论推算的结果基本一致，能够客观地体现出分子运动速率与分子质量的关系。

微观粒子运动性是中学化学学习的基础，不仅能帮助学生理解物质的性质和变化，而且对于培养学生的科学素养和解决实际问题的能力具有重要作用。设计进阶实验，可以很好地激活学生的思维。

在进阶实验1中，学生可以体会到物质是由微观粒子构成的，构成物质的微观粒子是在不断运动的。对于观察细致和善于思考的学生来说，他们会感受到竖起的透明软管上下高锰酸钾微观粒子扩散的速率并不完全一样，这会给他们带来新的问题，从而产生进一步探究的欲望。

进阶实验2运用对比思想设计实验，学生通过对比实验现象更容易得出“温度越高微观粒子运动速率越快”的结论。对比进阶实验1和实验2，大部分学生能感悟到高锰酸钾颗粒受重力作用做自由落体运动，从而对微观粒子的扩散运动造成影响；而微观粒子本身的质量很小，受重力作用很小，因此对微观粒子的扩散运动影响不大，这从实验2观察到的现象可以明显感知到。

进阶实验3利用细软管设计微型化实验，引导学生用定量的研究方法，逐步分析得出微观粒子的质量影响微观粒子的运动速率，即“微观粒子质量越小，微观粒子运动越快”的结论。通过3组进阶实验，学生对微观粒子有了更深入的认识，这就为后续学习溶解现象、离子反应，以及化学平衡等基本原理作好了前期的知识铺垫^［6］。

参考文献

[1] 周珊珊，张羿，李德前.借助便携式氧气传感器探究微观粒子运动的实验设计［J］.中小学实验与装备，2023，33（05）：38-39.

[2] 朱玉忠，李德前.探究微观粒子运动实验的新设计［J］.化学教学，2016（01）：67-69.

[3] 李德前，魏海.有色物质在水中扩散实验的新设计［J］.化学教学，2016（03）：60-64.

[4] 甘磊，李德前，张羿，等.借助直角玻璃管开发化学实验的尝试［J］.化学教学，2021（08）：68-71.

[5] 游士兵，苏正华，崔娅雯，等.速率理论中分子扩散项的置换模拟与经济学思考［J］.统计与决策，2013（01）：4-9.

[6] 周广，李德前.“探究微粒的运动”进阶式实验教学设计［J］.化学教学，2022（04）：71-74.

基金资助

江苏省教育科学“十四五”规划2021年度重点课题“‘深度教学’视域下初中化学‘图表语言’应用的实践研究”(B/2021/02/37)